El telescopio espacial James Webb ha encontrado algo poco habitual en una galaxia del universo primitivo: tres agujeros negros supermasivos activos dentro del mismo sistema, dos de ellos separados por apenas unos cientos de años luz.
La galaxia, denominada J0148-4214, se encuentra a más de 12.500 millones de años luz de la Tierra. Debido al tiempo que ha tardado su luz en alcanzarnos, los astrónomos la observan como era cuando el universo tenía poco más de 1.000 millones de años.
El hallazgo podría ayudar a explicar cómo algunos agujeros negros alcanzaron masas enormes tan poco tiempo después del Big Bang. Una de las posibilidades es que las fusiones entre estos objetos fueran mucho más frecuentes y eficientes de lo que se pensaba.
Tres agujeros negros dentro de una misma galaxia
Los agujeros negros no aparecen directamente en las imágenes del James Webb. Los investigadores los identificaron con el instrumento NIRSpec al estudiar el movimiento del gas de hidrógeno que gira a gran velocidad alrededor de ellos.
Ese material forma discos de acreción que se calientan mientras cae hacia los agujeros negros y deja señales características en su espectro. A partir de esas mediciones, el equipo pudo localizar los tres objetos y estimar sus masas y ritmos de crecimiento.
Dos se encuentran muy cerca del centro de J0148-4214 y están separados por aproximadamente 620 años luz. El mayor tiene unas 80 millones de veces la masa del Sol, mientras que su compañero ronda las 600.000 masas solares.
A pesar de esa diferencia, el menor está creciendo a un ritmo extraordinario. Los datos indican que acumula material por encima del llamado límite de Eddington, la tasa a partir de la cual la intensa radiación generada alrededor de un agujero negro empieza a dificultar que siga entrando más materia.
El tercer objeto se encuentra a unos 5.500 años luz del centro galáctico y tiene aproximadamente dos millones de masas solares. Los investigadores creen que pudo llegar hasta allí después de una fusión entre galaxias, un proceso que también explicaría por qué varios agujeros negros han terminado dentro del mismo sistema.
En conjunto, las estrellas de J0148-4214 suman unas 1.300 millones de masas solares. Que sus agujeros negros representen una fracción tan importante de esa masa resulta especialmente llamativo para una galaxia observada en una etapa tan temprana de la historia cósmica.
Una fusión produciría enormes ondas gravitacionales
Cuando dos agujeros negros supermasivos se aproximan lo suficiente, comienzan a orbitar entre sí y pierden energía en forma de ondas gravitacionales. La distancia entre ambos se reduce progresivamente hasta que terminan fusionándose en un único objeto más masivo.
Estas ondas son deformaciones del espacio-tiempo que se propagan por el universo. No “rompen” el espacio de forma literal, pero una fusión de agujeros negros supermasivos puede generar señales mucho más largas y de menor frecuencia que las detectadas actualmente por observatorios como LIGO, Virgo y KAGRA.
Precisamente por eso, los instrumentos instalados en la Tierra no son los más adecuados para buscarlas. La Agencia Espacial Europea prepara LISA, una misión formada por tres naves separadas por unos 2,5 millones de kilómetros que utilizarán haces láser para detectar variaciones diminutas en la distancia entre ellas.
Su lanzamiento está previsto para la década de 2030. Si sistemas como J0148-4214 fueron habituales en el universo primitivo, LISA podría detectar fusiones similares y ofrecer una nueva forma de estudiar cómo crecieron los primeros agujeros negros gigantes.
El sistema observado por el James Webb resulta especialmente interesante porque demuestra que encuentros de este tipo ya podían producirse cuando el universo era todavía muy joven.
El tercer agujero negro podría acabar expulsado
Aunque los tres objetos parecen destinados a interactuar gravitatoriamente, todavía no puede afirmarse que todos vayan a terminar fusionándose.
La mayor incógnita está en el tercer agujero negro, situado lejos del centro. Los datos actuales permiten determinar dónde se encuentra, pero no medir con suficiente precisión la dirección de su movimiento.
Una posibilidad es que se acerque a los otros dos y participe más adelante en una fusión. La otra es que la propia interacción gravitatoria termine expulsándolo de la galaxia.
Este tipo de comportamiento está relacionado con el conocido problema de los tres cuerpos. Cuando tres objetos muy masivos interactúan entre sí, sus trayectorias pueden volverse extremadamente complejas y uno de ellos puede recibir suficiente energía para salir despedido del sistema.
Los investigadores plantean que los dos agujeros negros más pequeños pudieron llegar inicialmente como una pareja. Al acercarse al objeto de 80 millones de masas solares, este habría capturado al menor mientras el tercero recibía parte de la energía orbital y era lanzado hacia el exterior.
Procesos parecidos se observan en la Vía Láctea con las llamadas estrellas hiperveloces. Algunas formaban parte de sistemas binarios que pasaron demasiado cerca de Sagittarius A*, el agujero negro central de nuestra galaxia: una estrella quedó atrapada y la otra salió despedida a gran velocidad.
Por ahora no existe una forma de saber qué destino espera al tercer agujero negro de J0148-4214. Si realmente fue expulsado, podría seguir viajando por el espacio intergaláctico, aunque nosotros estemos viendo el sistema tal como era hace 12.500 millones de años.
Lo que sí deja claro el descubrimiento es que el universo primitivo ya podía reunir varios agujeros negros enormes dentro de una misma galaxia y someterlos a interacciones capaces de cambiar radicalmente su evolución.